전도성 고분자 적용해 저압 구동·공정 효율 개선, 전기차 적용 가능성 확인
[소셜밸류=최연돈 기자] SK온이 신소재 개발을 통해 실리콘 음극 전고체 배터리 상용화의 최대 난제로 꼽혀온 성능 저하 문제에 대한 해법을 제시했다. 이달 초 서울대학교와 단결정 양극재 연구 성과를 공개한 데 이어, 연세대학교와의 공동 연구를 통해 실리콘 음극 분야에서도 의미 있는 성과를 내놓으며 차세대 배터리 기술 리더십을 강화하고 있다.
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| ▲'네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 실린 SK온과 연세대학교의 전자전도성 고분자 소재 연구 논문/사진=‘네이처 커뮤니케이션스’ 캡쳐 |
SK온은 연세대학교 정윤석·김정훈 교수 연구팀과 함께 실리콘 음극에 최적화된 신소재 바인더 ‘PPMA(전자전도성 고분자)’를 개발했다고 15일 밝혔다. PPMA는 전도성과 접착력을 동시에 확보한 소재로, 기존 실리콘 음극 전고체 배터리의 구조적 안정성 문제를 개선한 것이 특징이다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 지난해 12월 온라인 프리뷰 형태로 게재됐다. 심사위원들은 기존 액체 전해질 배터리에서 활용이 제한적이었던 전도성 고분자 바인더를 전고체 배터리 환경에서도 안정적으로 구현해 적용 범위를 확장했다는 점에 주목했다. 해당 논문은 학술지 교정 과정을 거쳐 2026년 1월 공식 게재될 예정이다.
SK온은 PPMA를 적용한 실리콘 음극 전고체 배터리를 상용화에 근접한 압력 조건에서 안정적으로 구동하는 데 성공했다. 실험실 수준의 테스트를 넘어 실제 전기차 적용을 고려한 고에너지밀도 파우치형 배터리로 성능을 검증했다는 점에서 의미가 크다. 수백회에 이르는 충·방전 시험 이후에도 용량 저하 없이 초기 성능을 유지한 것으로 나타났다.
실리콘 음극은 이론적으로 흑연 대비 약 10배에 달하는 저장 용량을 갖춰 차세대 고에너지밀도 배터리의 핵심 소재로 꼽힌다. 다만 충·방전 과정에서 부피가 300% 이상 팽창·수축하는 특성으로 인해 입자 간 접촉이 끊어지고 내부 저항이 증가하는 문제가 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.
전고체 배터리는 고체 입자 간 접촉을 통해서만 전기가 흐르는 구조여서 접촉 손실이 발생할 경우 성능 회복이 쉽지 않다. 이에 따라 기존에는 바인더 사용량을 늘리거나 높은 압력을 가하는 방식이 활용됐지만, 일반적으로 사용돼 온 PVDF 바인더는 절연성이 강해 사용량 증가 시 전극 성능이 저하되는 한계가 있었다.
SK온과 연세대 연구진은 저압 환경에서의 성능 저하 원인이 리튬이온 전달이 아닌 전극 내부 전자 이동에 있다는 점을 규명했다. 이에 따라 새롭게 개발한 PPMA는 전극 전반에 안정적인 전자 이동 경로를 형성하는 동시에 실리콘 입자 간 결합력을 강화하도록 설계됐다.
특히 PPMA는 공정 효율 측면에서도 강점을 보인다. 기존 방식과 달리 물 기반 공정이 가능해 환경 부담을 줄였으며, 제조 비용 절감 효과도 기대된다. 배터리 구동에 필요한 압력 역시 기존 대비 80% 이상 낮출 수 있었다.
박기수 SK온 미래기술원장은 “산학 협력을 통해 차세대 전고체 배터리 분야에서 의미 있는 기술적 진전을 이뤘다”며 “앞으로도 학계와의 협업을 통해 배터리 기술 혁신의 속도를 지속적으로 높여 나가겠다”고 말했다.
한편 SK온은 전고체 배터리 양산을 위한 준비에도 속도를 내고 있다. 2025년 하반기 대전 미래기술원 내 약 4628㎡(약 1400평) 규모의 전고체 배터리 파일럿 플랜트를 준공했으며, 전고체 배터리 상용화 목표 시점은 2029년이다. 국내 주요 대학과의 공동 연구를 비롯한 산학 협력도 지속 확대하고 있다.
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